Бариери пред въвеждането на съхранение на батерии в САЩ: цена и продукти

Въпреки че в момента САЩ разполагат с различни технологии, които биха могли да декарбонизират мрежата, социалните, финансовите, а също и политическите бариери могат да попречат на тези модерни технологии да бъдат разгърнати в рамките на времето, необходимо за потискане на промяната в околната среда. Тази перспектива подчертава 2 от най-големите бариери пред внедряването на пространство за съхранение на батерии: цена, а също и продукти. По-конкретно, разходите за основното пространство за съхранение на батерии, съвременната технология, обикновено продължават да бъдат твърде високи. Проучвателна група в Масачузетския институт за модерна технология проучи колекция от политически, а също и финансови стратегии, разработени и предоставени от правителството на Съединените щати, за да рекламират по-бързото освобождаване на пространство за съхранение на енергия и също така да минимизират цените. Основно съображение за нарастващите цени е относително високата стойност на материалите за батерии, се има предвид в доклада. А една по-малка по размер и рационализирана верига за доставки подчертава неотложността на батерийните продукти, увеличавайки цените и предизвиквайки бързо разширяване. Има фактори за това в допълнение към технологичните и икономически услуги, някои от които са анализирани от MIT. Често има контрастно партньорство между конкурентното предимство на фирмата (т.е. ексклузивно оформление, а също и производство) и допълнително икономично производство (т.е. централизация, стандартизация и т.н.), което трябва да бъде преодоляно чрез политически и икономически награди. В крайна сметка е необходима по-голяма спешност в публичните, както и в ексклузивните инвестиционни полета, за да се обърне внимание на промяната на околната среда с бързия растеж и прилагането на най-ефективните решения.

Сред най-важните решения за предотвратяване на допълнително изменение на климата е декарбонизацията на електроенергийния сектор. Според данните, публикувани от Обединената държавна администрация за енергийни данни (EIA), през 2020 г. общите въглеродни емисии, генерирани от пазара на електроенергия, представляват около 32% от общите въглеродни емисии в САЩ. Чрез използването на възобновяеми енергийни източници, като вятърна и слънчева енергия, може да се произвежда енергия, без да се отделя въглероден диоксид, основният замърсител, който предизвиква глобалното затопляне. Независимо от това, възобновяемата енергия се сблъсква с повтарящи се проблеми с генерирането, тъй като нейното снабдяване зависи от климатичните условия, които са несигурни, както и от миналото на човешкия контрол, което е съществена разлика в сравнение със съоръженията за производство на изкопаеми горива, които могат да доставят повече енергия по всяко време. Има различни решения за справяне с периодичността и гарантиране, че търсенето винаги е задоволено: като пример, съоръженията за производство на възобновяема енергия могат да бъдат надстроени, така че когато слънцето или вятърът са недостатъчни, създадената електрическа енергия все още може да отговори на търсенето на доставки. Този подход обаче е скъп, както и води до ограничаване. Друга услуга е да се използва минимално количество управляемо енергийно снабдяване (като екологичен водород, както и ядрена енергия и т.н.), в идеалния случай обикновено чиста енергия, която не създава CO2 (като зелен водород, амоняк, биографично гориво и т.н.). Независимо от това, тези нововъзникващи иновации все още се борят за постигане на жизнеспособни показатели за разходи и ефективност, когато се генерират с помощта на неутрални по отношение на въглерода процедури. Въпреки че са необходими множество методи, системите за пространство за съхранение на енергия са изключително обещаващо средство, както и предлагат голям набор от дизайнерски решения.

Съоръжението за заемане на място за съхранение на енергия е да се преобразува електрическата енергия, предоставена от възобновяем източник направо в други видове енергия, като топлинна енергия, електрохимична енергия, мощност и т.н., когато захранването е достатъчно, което може да се съхранява, както и да се освобождава, за да отговори на търсенето по време на доставката. Помпените хидрогенераторни съоръжения всъщност са били ефективен и също така добре документиран вид пространство за съхранение на енергия повече от 100 години; според Министерството на енергетиката на Съединените щати (DOE), помпените хидроцентрали в момента съставляват всички системи за съхранение на енергия в мащаб на комуналните услуги в Съединените щати, 95% от капацитета на пространството за съхранение на енергия. Независимо от това е необходим повече капацитет за съхранение на енергия, за да се декарбонизира мрежата до по-високо ниво: според доклада от проучването на Администрацията за енергийна информация на САЩ (EIA), САЩ в момента разполагат с по-малко от 2 GW системи за пространство за съхранение на енергия в мащаб, както и стотици гигавати пространство за съхранение на енергия може да са необходими през 2050 г. за подпомагане на дълбоката декарбонизация. Помпената хидроелектрическа енергия е трудна за мащабиране поради факта, че обикновено е доходоносна само за големи, капиталоемки проекти за пространство за съхранение на енергия, както и местата за внедряване са ограничени от географски, както и от позволяващи ограничения. В допълнение, мрежата е колекция от услуги, всяка от които разчита на различна характерна мощност, а също и на изисквания за мощност, времена за реакция и т.н., което изисква различни услуги за пространство за съхранение на енергия. Най-честата статистика, която се използва, за да се разбере дали съвременната технология за съхранение на енергия е практически, а също и икономически идеална за дадено приложение, е 'периодът', който също представлява момента, необходим за пълно зареждане или повторно зареждане на батерията. Следователно могат да бъдат проучени възможности за изпълнение на многобройни продължителности. Поради голямото дизайнерско пространство, което предоставят за постигане на поредица от периоди, а също и различните други предимства, разгледани в тази статия, батериите използват серия от привлекателни технологии за пространство за съхранение на енергия за работни места за съхранение на енергия.

Батерията е електрохимично устройство за съхранение, което използва разликата в енергията между 'редокс' реакциите за трансформиране на електрическа енергия, като впоследствие спестява електрическа енергия като химическа енергия или спестява електрическа енергия от химическа енергия. Батериите имат много потенциални предимства пред различни други видове технологии за съхранение на енергия. Например, електрохимичните реакции обикновено са много по-надеждни от термохимичните отговори в декарбонизирана решетка (и също, като цяло, енергизирана мрежа) поради директното освобождаване на електрическа енергия (обикновено при обичайно температурно ниво и налягане).

В допълнение, има различни планове за съхранение на енергия при редокс реакция, от които можете да избирате, осигурявайки широко пространство за базирани на приложения модерни технологии за съхранение на енергия. Като пример, помислете за разнообразието от бизнес батерии, използвани в потребителската електроника, които представляват само малка част от мрежовите системи за съхранение на енергия от батерии, достъпни за използване в различни дизайни: литиево-йонни, оловно-киселинни, никел-кадмиеви, цинк-въглеродни батерии и т.н. Освен това батериите могат да бъдат разположени практически навсякъде, за разлика от термичното или гравитационното съхранение, което обикновено изисква географски подробни места за съхранение. Тези предимства позволяват батериите да се използват не само за мрежови операции след декарбонизация, но и да предлагат добавена стойност като вторични услуги; например батериите допринасят за повишена енергийна независимост, а също и за надеждност. Вземете под внимание колапса на електрическата мрежа на Пуерто Рико по време на бурята Мария през 2017 г. Разпръснатите микромрежови проекти, включително съоръжения за генериране на възобновяеми ресурси и системи за пространство за съхранение на енергия, могат да предотвратят трагични големи прекъсвания на електрозахранването. Това е така, защото разпръснатото производство намалява изграждането и преоборудването на преносната рамка (като електропроводи и стълбове), които разпръскват енергията, но са изложени на риск от тежки климатични условия.

В допълнение, разпръснатото производство на енергия премахва възможността за единична точка на повреда. Със сигурност е необходимо да се вземат предвид и съображенията за съседска политика, както и за финансовата свобода. Много страни не притежават големи икономически практични ресурси от невъзобновяеми горивни източници, така че промяната на пазара на възобновяема енергия може да подобри вътрешното производство на електроенергия, да намали необходимостта от внос на енергия, както и по този начин да засили геополитическата свобода. Съединените щати изрично признават финансовите предизвикателства, които зависимостта от властта може да представлява, след като са преживели геополитически генериран недостиг на петрол през 70-те и 80-те години на миналия век.

Днес има много видове технологии за батерии, всяка с различни дизайни на модели, много от които могат да се поберат в серия от химикали, както и да използват селекция от алтернативи. Литиево-йонните батерии (LIB) се считат за основна технология за батерии; през 90-те години на миналия век, както и по-късно, литиево-йонните батерии се използват главно в електронни и мобилни устройства, докато през последните години литиево-йонните батерии се използват предимно в стационарни системи за съхранение на енергия, както и в електрическите автомобили (EV) на тези 2 мащабни пазара. По-голямата част от иновациите в батериите, обмисляни за използване в енергийния сектор, все още са сравнително преждевременни и може да изискват цялостно проучване на принципа на пробите и грешките, но постигнатите до момента задачи всъщност са били малки внедрявания или минимални търговски процедури, често поради факта, че те все още са с недостатъчна производителност или са подходящи само за грид приложения. Примери за такива нововъведения се състоят от редокс циркулационни батерии (RFB) и също метално-въздушни батерии (MAB).

Според Международната агенция по енергетика до 2030 г. по-голямата част от намалението на емисиите на CO2 със сигурност ще дойде от модерни технологии, пуснати в момента или на пазара днес, а също така до 2050 г., по отношение на петдесет процента от намалението на въглерода ще разчита на иновации, които понастоящем са в демо или прототипна енергийна иновация. Така че федералните правителства, както и културите, практически са на прав път да се справят с промяната на околната среда. Независимо от това, има множество други потенциални социални, финансови и политически пречки, които трябва да бъдат преодолени, за да се гарантира, че съвременните технологии за идеална енергия се внедряват достатъчно бързо, така че тези намаления да са достатъчно големи, за да се избегнат по-мащабни щети (Фигура 1). Въпреки че тези фактори, които трябва да се вземат предвид, не са независими от техническите аспекти, те може да изискват различни подходи и решения. Тази работа проверява две ключови предизвикателства при по-широкото внедряване на батерии: цена на батерията и продуктови ограничения. Понастоящем съществуват серия от батерийни технологии с подходящи атрибути за ефективност, но високите първоначални разходи могат да забавят или спрат по-широкото насърчаване, особено при настоящите ниски производствени мащаби. И накрая, дори ако определена технология за батерии задоволява основните показатели за цена, а също и за производителност, достъпността и веригата за доставки на нейните жизненоважни компоненти може да възпрепятства бързата, както и дълбоката интеграция. Следователно тези опасения трябва да бъдат разрешени възможно най-бързо, за да се постигнат ключовите цели за декарбонизация. Тази работа открива финансови и политически техники за преодоляване или заобикаляне на тези бариери.
Ключова бариера 1: Цена на батерията

Цената е основен фактор, който трябва да се вземе предвид дали батериите могат да се използват в приложения за съхранение на енергия в мрежата. За разлика от други пазари на батерии като клинични устройства, потребителски електронни устройства, електрически камиони и т.н., мрежовите приложения се нуждаят от много по-евтини услуги за чиста енергия, за да се конкурират с достъпни съоръжения за производство на изкопаеми горива. Тъй като освобождаването на мрежата изисква големи инвестиции, често изискващи достъп до финансиране (напр. финансиране), цената на ресурсите всъщност традиционно е била значителна пречка за приемането на възобновяеми ресурси и следователно основна индикация за неговата технико-икономическа осъществимост. За батериите цената обикновено зависи от цената на материала, както и от производствения диапазон. Държавният департамент на енергетиката на Съединените щати обикновено поставя между $100/kWh, както и $150/kWh като горна граница на разходите за финансиране на финансово практична система за съхранение на енергия в мрежата.

Литиево-йонните батерии в момента са една от най-разпространените технологии за съхранение на енергия на батерии в мрежовите приложения. Литиево-йонните батерии имаха способността да ускорят развитието си през 90-те години на миналия век, защото за първи път бяха използвани в множество пазари с висока стойност, състоящи се от потребителски електронни устройства и електрически камиони. На тези пазари доставчиците на батерии могат да предлагат много по-малко подобрени и по-високи батерийни продукти, тъй като те са единственият избор. Това прави възможно създаването на литиево-йонни батерии в мащаб и цена, като същевременно се увеличава максимално производителността. Така че, когато тази технология се вземе под внимание за системи за пространство за съхранение на енергия, литиево-йонните батерии всъщност показаха силна ефективност, производителността на зареждане и разреждане на тази батерия сега е много висока, обикновено до 95%, а веригата за доставки е създадена, за да гарантира, че цената е по-ниска. По-конкретно с развитието на електрическите автомобили, цената на литиево-йонните батерии всъщност намаля драстично през последните години; литиево-йонните батерии, състоящи се от сглобени батерийни клетки и административни, а също и системи за сигурност, са паднали в рамките на възможния диапазон, определен от Министерството на енергетиката на САЩ (около 140 USD/kWh), очаква се в бъдеще да падне под 100 USD/kWh. Международната производствена способност за литиево-йонни батерии се оценява приблизително на надхвърляне на 700 GWh годишно, както и днес е сектор от близо 50 милиарда долара. Въпреки че това е отлично развитие, все още са необходими редица мерки, за да се позволят всички мрежови услуги и да се постигне дълбока декарбонизация. Освен това проблемите с веригата за доставки, разгледани в следващия раздел, могат да възпрепятстват обхвата на внедряване на системи за съхранение на енергия от литиево-йонни батерии. Няколко други модерни технологии за батерии предлагат още по-икономични услуги, особено за по-дълги периоди (над 4 часа), но те не печелят от същите пазарни проблеми като литиево-йонните и им е трудно да се конкурират.

Многобройни алтернативни дизайни на батерии, както и продукти, имат фундаментални ценови предимства в сравнение с литиево-йонните батерии. Циркулационните батерии, например, използват системен дизайн, който уникално разделя мощността и мощността, което показва, че двете могат да се мащабират независимо една от друга. Това позволява достъпно нарастване на капацитета за съхранение на енергия, което прави такива батерии много по-конкурентни по отношение на разходите за по-дълъг живот. От друга страна, затворена система като литиево-йонна батерия съчетава мощност и мощност, което прави цената на нейното устройство за съхранение на енергия разумно фиксиран критерий. Въпреки че беше посочено, че дълготрайните разходи са по-малък фактор, който трябва да се вземе предвид в сравнение с първоначалните разходи, отвореният стил на поточна батерия (RFB) или метално-въздушна батерия (MAB) допълнително улеснява дългосрочните финансови спестявания на разходи, като позволява целенасочена поддръжка на компоненти. Човек може директно да го допълни или смени с електролита (най-бързият компонент на батерията), докато типичните затворени системи като литиево-йонни батерии се нуждаят от подобряване или подмяна на целия комплект батерии, което генерира известно количество отпадъци. В крайна сметка има допълнителни батерии, които използват продукти с по-ниска цена и по-високо съдържание от литиево-йонните батерии, намалявайки бъдещите разходи.

Въпреки тези присъщи предимства, възникващите решения за съхранение на енергия трудно могат да бъдат завършени поради различни причини. Първоначално, докато оптималният стил на дълбоко декарбонизирана мрежа интегрира серия от услуги за съхранение на батерии, този сценарий е много от съществуващия факт. Тъй като тези съвсем нови иновации в батериите са наистина рентабилни за приложения в мрежов мащаб и също така не могат да се намерят на пазари с по-висока стойност, не е ясно как точно да се намалят цените, както и да се подобри ефективността, така че да могат да се конкурират с литиево-йонните батерии, когато те. Когато най-накрая възникне необходимост, услугите за дълготрайно съхранение на енергия или замяната на съоръжения за производство на изкопаеми горива могат да бъдат удовлетворени на по-ниска цена.

Влошаването на този проблем с кокошката и яйцето е още една подобна главоблъсканица: тези възникващи иновации са естествено по-рискови. Това ги прави по-малко привличащи вниманието на ръководителите на проекти, спонсорите или други производители на решения, което прави тези модерни технологии много по-рядко възприемани и показвани, както и резултатът, постоянно смятан за рискован. В резултат на тези препятствия многобройни задачи, предлагащи използването на тези нововъзникващи модерни технологии за батерии, се бориха да защитят финансирането с финансови инвестиции на компанията, финанси за работа и други. Тези проблеми може да не бъдат решени само от частния сектор и третирането на федералното правителство може да намали технологичната опасност и също така да намали цената на възникващите решения за пространство за съхранение на енергия, които само привличат вниманието на мрежата, но могат да допринесат за дълбока декарбонизация. Обикновено широкомащабните демонстрации със сигурност ще трябва да бъдат тествани и също така поддържани с директни поръчки. Един от начините за постигане на това е чрез финансиране от федералното правителство на задачите за бизнес представяне, както беше направено преди това със Закона за възстановяване на Америка и също така за реинвестиране. Понастоящем Отделът на властта на САЩ предоставя значително финансиране за демонстрационни проекти за съхранение на енергия в пространството. Независимо от това, това финансиране в действителност исторически е било предоставяно на националните изследователски лаборатории на Съединените щати, а не с обществена молба, което би довело до участие в частния сектор и също така потенциално ще ускори прогреса. В допълнение, правителството на САЩ може да разработи специализирана програма за презентации за съхранение на енергия в мрежата, което показа обещание в много от неговите проекти за развитие на ранен етап. Тази нужда напоследък беше частично удовлетворена от Програмата на Агенцията за напреднали изследвания за енергийни проекти (ARPA-E) на Отдела за енергетика на САЩ за важен напредък в енергийните технологии с неизползвана възможност. По същия начин демонстрацията на US Office of Clean Energy е още една стъпка в най-добрата посока: компанията е създадена през 2021 г. с цел да демонстрира големи (дори милиарди долари) проекти за съхранение на енергия, както и да работи с частния сектор за ускоряване на приемането и внедряването на модерни технологии за чиста енергия.

Днес съществуват технологии, които могат да допринесат за декарбонизацията на енергийното поле. Съществуват обаче опасения относно способността за създаване и внедряване на тези модерни технологии бързо и рентабилно, задача, която в момента не е налице. С подходящите стимули държавното лечение може да помогне за постигането и ускоряването на желаните резултати. Освен това, различни подходи и процедури могат да помогнат за преодоляване на някои от тези пречки, ако се използват разумно и също така бързо. Въпреки подхода е необходимо време, както и достъпността за обществеността, а също и изключителната инвестиция е от решаващо значение